Как сделать простейший динамометр кратко

Динамометр

На данном уроке мы познакомимся с новым прибором, с помощью которого можно измерить силу, действующую на тело. Как называют прибор для измерения силы?

Динамометр — это прибор для измерения силы.

Слово «динамометр» образовано от двух греческих слов: «динамис» — «сила» и «метрео» — «измеряю».

Рассмотрим самый простой вид динамометра — пружинный. Это поможет нам разобраться с принципом действия прибора. Основной его частью является стальная пружина.

Не сложно догадаться, что если подвесить к пружине груз, то она растянется. Другими словами, наблюдатель видит, что на подвешенное тело действует сила, и может определить ее величину.

Устройство пружинного динамометра

Как изготовить простейший динамометр?
Простой пружинный динамометр можно изготовить самостоятельно (рисунок 1). Он состоит из нескольких частей:

• стальная пружина с крючком и указателем на конце;
• корпус для крепления пружины;
• шкала.

Сначала закрепляем пружину на корпусе таким образом, чтобы ее нижний конец оставался свободным. Затем к нему прикрепляем указатель. Если разогнуть последний виток пружины, то его можно использовать в качестве указателя.

Градуировка шкалы динамометра

Шкалу можно изготовить из полоски обычной бумаги, нанеся на нее штрихи и числа. Поэтому приклеим бумагу на корпус и сделаем на ней первую отметку (рисунок 2, а). Это будет нулевая отметка, которая показывает, где заканчивается нерастянутая пружина.

Из прошлого урока нам известно, что на груз массой $\frac<1> <9.8>\space кг$ ($102 \space г$) будет действовать сила тяжести, равная $1 \space Н$. Поэтому подвесим на крючок груз указанной массы и посмотрим, насколько растянется пружина.

Если пружина прекратила растяжение и груз остановился, это означает, что сила тяжести, действующая на тело, и сила упругости пружины уравнялись. Новое положение указателя отметим на бумаге, поставив цифру 1 (рисунок 1, б).

Так мы уже получили начало шкалы и необходимо ее продолжить. И сделать это можно по-разному:

1. Поочередно подвешивать грузы массой $204 \space г$, $306 \space г$, $408 \space г$ и т. д., проставляя соответствующие отметки: 2, 3, 4 и т. д.
2. Воспользоваться двумя имеющимися отметками (0 и 1) и с помощью линейки отложить отрезки такой же длины, отметив их числами 2, 3, 4 и т. д.

Теперь у нас есть шкала, которая позволяет измерять силу с точностью до целых. Но точность нашей шкалы можно улучшить до десятых, нанеся на нее дополнительные деления — 0.1; 0.2; 0.3; 0.4 и т. д.

Как нанести на шкалу динамометра деления, соответствующие $0.1 \space Н$?
Для этого разделим расстояние между отметками 0 и 1 на 10 одинаковых частей, поставив соответствующие штрихи. Аналогично поделим на части и другие отрезки ( между отметками 2 и 3, 3 и 4, и т. д.).

Описанным способом мы осуществили градуировку шкалы, цена деления которой равна $0.1 \space Н$.

Принцип действия динамометра

Итак, мы видим, что для измерения силы, действующей на груз, необходимо уравнять ее с силой растяжения пружины динамометра. Указатель, закрепленный на пружине, покажет величину этой силы согласно шкале. Таким образом, можно сделать вывод, что:

Устройство динамометра основывается на сравнении измеряемой силы с силой упругости пружины.

Например, если подвесить груз какой-то массы, то мы будем сравнивать силу тяжести, действующую на этот груз, и величину силы упругости растянутой пружины.

Если мы возьмем крючок на конце пружины и потянем за него, то мы будем сравнивать силу, приложенную нами, с силой упругости пружины (рисунок 3). Так, с помощью динамометра можно измерять различные силы.

Вспомним закон Гука — он гласит, что сила упругости тела при растяжении прямо пропорциональна изменению длины тела. Принцип работы динамометра подтверждает этот закон — пружина удлиняется во столько же раз, во сколько увеличивается сила ее упругости.

Виды динамометров

Какие типы динамометров вам известны?
Можно выделить несколько видов динамометров на основе принципа их действия:

1. Механические динамометры (рычажные или пружинные)

В основе работы механических динамометров лежит деформация. Принцип действия пружинного динамометра подробно описан выше. В рычажном динамометре под действием измеряемой силы происходит деформация рычага, которая и показывает величину силы.

1. Гидравлические динамометры

Принцип действия таких динамометров основан на определении количества жидкости, вытесняемой из цилиндра под действием измеряемой силы.

1. Электрические динамометры

У таких динамометров имеется датчик, который преобразует деформацию в электрический сигнал. Это вид динамометров стал широко применяться в последнее время.

Современные модели динамометров могу соединять и использовать в себе несколько принципов действия.

Применение динамометров

Динамометры имеют очень широкое применение. Например, в медицине используются специальные медицинские динамометры. Они предназначены для измерения силы различных мышечных групп человека.

Одним из таких приборов является ручной динамометр, который называется силомером (рисунок 4). С его помощью измеряется мускульная сила руки при сжатии кисти в кулак.

Для того чтобы измерить тяговые усилия локомотивов, тракторов, морских буксиров и другой техники, используют специальные тяговые динамометры (рисунок 5).

Такие динамометры способны измерять силы до нескольких десятков тысяч ньютонов. Современные модели имеют пульт дистанционного управления с дисплеем (рисунок 6).

При монтаже проводов и кабелей используют динамометры для определения силы натяжения провода (рисунок 7). Существуют специальные монтажные таблицы с необходимыми значениями.

Динамометры используют не только в специальной технике, но и в обычных для нас местах: в метро, в автобусах и даже в лифте. Здесь эти приборы используют для измерения силы сжатия створок различных автоматических дверей.

Упражнения

Упражнение №1

Определите цену деления каждого прибора и силу тяжести, действующую на каждый груз (рисунок 8).

Определим цену деления динамометра, изображенного на рисунке 8, а. Возьмем два крайних подписанных деления: $1 \space Н$ и $0 \space Н$. Вычтем меньшее значение из большего и разделим на количество делений между ними:
$\frac<1 \space Н − 0> <10>= 0.1 \space Н$.
Цена деления этого динамометра равна $0.1 \space Н$.
На подвешенный груз действует сила тяжести, равная $1 \space Н$.

Определим цену деления динамометра, изображенного на рисунке 8, б. Возьмем два крайних подписанных деления: $1 \space Н$ и $0 \space Н$. Вычтем меньшее значение из большего и разделим на количество делений между ними:
$\frac<1 \space Н − 0> <2>= 0.5 \space Н$.
Цена деления этого динамометра равна $0.5 \space Н$.
На подвешенный груз действует сила тяжести, равная $6 \space Н$.

Упражнение №2

Чему равен вес каждого груза на рисунке 8? Укажите точку его приложения.

Груза и динамометры у нас неподвижны, поэтому вес каждого груза будет равен силе тяжести, действующей на него. Значение же силы тяжести мы видим по показаниям динамометров.

Для груза на рисунке 8, а:
$P = F_ <тяж>= 1 \space Н$.

Для груза на рисунке 8, б:
$P = F_ <тяж>= 6 \space Н$.

На рисунке 9 изображен вес этих тел. Вес приложен к подвесу в обоих случаях.

Упражнение №3

По рисунку 10 определите, с какой силой растягивается каждая пружина под действием подвешенного к ней груза (масса одного груза $102 \space г$).

Дано:
$m = 102 \space г$
$g = 10 \frac<Н><кг>$

СИ:
$m = 0.102 \space кг$

Показать решение и ответ

Решение:

Под действием какой силы будет растягиваться пружина? Она растягивается под влиянием силы тяжести, действующей на подвешенный к ней груз.

Рассчитаем силу, растягивающую причину на рисунке 10, а:
$F_1 = F_ <тяж1>= gm$,
$F_1 = 10 \frac<Н> <кг>\cdot 0.102 \space кг = 1.02 \space Н$.

Рассчитаем силу, растягивающую причину на рисунке 10, б:
$F_2 = F_ <тяж2>= g \cdot 2m$,
$F_2 = 10 \frac<Н> <кг>\cdot 2 \cdot 0.102 \space кг = 2.04 \space Н$.

Ответ: $F_1 = 1.02 \space Н$, $F_2 = 2.04 \space Н$.

Источник

Изготавливаем динамометр своими руками

Вес измеряется весами, расстояние – линейкой, давление – манометром и т. д. А придуман ли прибор, измеряющий силу? Такой инструмент, конечно же, имеется. Называется он динамометр. Своими руками в домашних условиях, кстати говоря, несложно изготовить простенький, но вполне работоспособный прибор для измерения силы, свой собственный эксклюзивный динамометр.

Масса, сила, вес

В разговорах мы часто путаем такие понятия, как масса и вес. В чём между ними разница? Маленький пример. У нас есть гимнастическая гиря массой 32 кг. Именно столько покажут наши бытовые весы, стоит нам это железное изделие на них поставить. Переместимся мысленно на поверхность Луны. Показания весов, которые мы захватим с собой, изменятся и будут всего лишь 5 кг 120 г. А вот на самой большой планете нашей системы, Юпитере, с самой большой силой тяжести, весы покажут все 84,5 кг. Изменилась масса гири? Нет.

Как такое может быть? Поместим гирю в открытый космос, где в состоянии невесомости весы покажут и вовсе ноль. Масса пропала? Чтобы убедиться, что это не так, стоит разогнать наш гимнастический снаряд до приличной скорости и направить на ту или иную мишень. Если тот же эксперимент повторить на Луне, Земле, Юпитере, при условии, что скорость в момент столкновения с препятствием будет одинакова, идентичными будут и разрушения.

Масса гири во всех примерах остаётся 32 кг. А что меняется? Сила, с которой гиря давит на площадку весов. И измерять её, эту силу, называемую «вес», правильно не в килограммах, а в ньютонах.

Сила в один ньютон равна весу груза в 102 грамма, находящегося на поверхности планеты Земля.

Итак, изготовив динамометр своими руками, мы получим возможность измерять такую важнейшую физическую величину, как сила.

Общий принцип устройства динамометров

Для измерения силы редко используют земное притяжение. Это не только неудобно (груз или противовес могут работать только вертикально), но и не совсем точно. Дело в том, что наша Земля – не совсем шар. Это эллипсоид, слегка сплюснутый с полюсов. Поэтому расстояние на экваторе до центра планеты больше, чем на полюсе, к тому же, на экваторе на любое тело действует центробежная сила, слегка уменьшающая его вес, поэтому чтобы гарантированно похудеть (правда ненамного, на 0,5% всего лишь) надо просто поехать с полюса на экватор.

Поэтому для того, чтобы измерить силу, чаще всего применяют приборы на упругих элементах. А силу иногда необходимо измерить просто громадную, например, тягу двигателя космической ракеты носителя. Можно только представить, каким должен быть такой динамометр.

Своими руками такой вряд ли изготовишь. Но принцип работы у всех «силомеров» один и тот же: сила деформирует упругий элемент, прибор фиксирует величину этой деформации.

Стандартный динамометр

В лабораторных работах школьных уроков физики для измерения силы использовался простой пружинный прибор. Рассмотрим, как сделать динамометр своими руками не хуже школьного.

Основа, на которой собирается всё устройство, – обычная дощечка из дерева или полоска поликарбоната, пластика, жести, вариантов множество. На дощечке расположена пружина, один конец которой жёстко закреплён, другой связан с телом, через которое передаётся усилие. Как правило, это стальной крючок. Степень растяжения пружины пропорциональна прикладываемому усилию. Величина деформации отражается на шкале, которая наносится в ньютонах. Вот так работает динамометр. Своими руками в домашних условиях не обязательно изготавливать его из пружины, прекрасно будет работать любой упругий материал, например, резинка.

Тарировка

Для того, чтобы силомер работал, его необходимо градуировать. Для этого можно воспользоваться силой тяжести. Известно, что усилию в один ньютон соответствует вес 102 граммов. Тарируется динамометр своими руками в следующей последовательности:

• динамометр располагается вертикально;
• пока пружина не нагружена, положение указателя соответствует отметке 0;
• динамометр нагружается грузом массой 102 грамма, получается отметка 1 ньютон;
• масса груза в 204 грамма даст положение метки в 2 ньютона и т. д.

Как видим, настроить динамометр своими руками несложно.

Разные конструкции «домашних» динамометров

Необходимо определиться с нагрузкой, которую предстоит измерять. И расчёт лучше произвести перед тем, как сделать динамометр. Своими руками можно изготовить как мощный прибор, так и небольшой, но более чувствительный. А вариантов конструкции немало.

Например, несложно изготовить динамометр своими руками из резинки. Он ничем не отличается от классического «школьного». Разница лишь в том, что вместо пружины используется более доступная резинка, например, от донной удочки или авиамодельная.

Немного фантазии, и в прибор для измерения силы превращается обычный одноразовый шприц. Устройство показано на рисунке, единственное, на чём следует заострить внимание, так это поршень шприца, который необходимо обточить по окружности (или срезать острым ножом) так, чтобы он двигался внутри корпуса шприца без усилия.

При желании можно изготовить динамометр своими руками из ручки, обычной шариковой ручки с пружинкой.

Стержень надо очистить от чернил, сточить острие пишущего шарика и вставить внутрь обычную канцелярскую скрепку.

Динамометр на пьезоэлементах

Динамометры заводского изготовления в последнее время чаще всего изготавливают с использованием пьезоэлементов. Пьезоэлемент – кристалл, на концах которого при механическом сжатии появляется разность потенциалов (напряжение). Причём величина этой разности потенциалов зависит от степени сжатия.

Силомеры такого типа отличаются отсутствием хода штока (на чувствительный элемент необходимо просто нажать), чрезвычайной точностью и огромным диапазоном измерений. На пьезоэлементах делаются как чувствительные приборы для точного измерения небольших усилий, так и динамометры, с помощью которых измеряют тяговые усилия тракторов.

Источник